Wprowadzenie
Jak obiektywna rzeczywistość wyłania się z palety możliwości oferowanych przez mechanikę kwantową? To pytanie — najgłębsza i najbardziej drażliwa kwestia, jaką stawia teoria — jest nadal przedmiotem sporu sprzed stu lat. Możliwe wyjaśnienia, w jaki sposób obserwacje świata dają określone, „klasyczne” wyniki, czerpiące z różnych interpretacji tego, co oznacza mechanika kwantowa, mnożyło się tylko przez te sto lat.
Ale teraz możemy być gotowi do wyeliminowania przynajmniej jednego zestawu propozycji. Niedawne eksperymenty zmobilizowały niezwykłą czułość instrumentów fizyki cząstek elementarnych, aby przetestować ideę, że „zapadnięcie się” możliwości kwantowych w pojedynczą klasyczną rzeczywistość to nie tylko matematyczna wygoda, ale prawdziwy proces fizyczny – idea nazywana „zapadnięciem fizycznym”. Eksperymenty nie znajdują dowodów na efekty przewidywane przez co najmniej najprostsze odmiany tych modeli zawalenia.
Jest jeszcze za wcześnie, aby definitywnie powiedzieć, że fizyczne załamanie nie występuje. Niektórzy badacze uważają, że modele można jeszcze zmodyfikować, aby uniknąć ograniczeń nałożonych na nie przez zerowe wyniki eksperymentów. Ale chociaż „zawsze można uratować dowolny model”, powiedział Sandro Donadi, fizyk teoretyczny w Narodowym Instytucie Fizyki Jądrowej (INFN) w Trieście we Włoszech, który prowadził jeden z eksperymentów, wątpi, czy „społeczność będzie dalej modyfikować modele [w nieskończoność], ponieważ nie będzie zbyt wiele do nauczenia robiąc to.” Wydaje się, że pętla zaciska się na próbie rozwiązania największej zagadki teorii kwantowej.
Co powoduje upadek?
Modele zawalenia fizycznego mają na celu rozwiązanie głównego dylematu konwencjonalnej teorii kwantowej. W 1926 Erwin Schrödinger zapewnił że obiekt kwantowy jest opisany przez jednostkę matematyczną zwaną funkcją falową, która zawiera wszystko, co można powiedzieć o obiekcie i jego właściwościach. Jak sama nazwa wskazuje, funkcja falowa opisuje rodzaj fali — ale nie fizycznej. Jest to raczej „fala prawdopodobieństwa”, która pozwala nam przewidzieć różne możliwe wyniki pomiarów wykonanych na obiekcie oraz szansę zaobserwowania dowolnego z nich w danym eksperymencie.
Wprowadzenie
Jeśli na takich obiektach wykonywanych jest wiele pomiarów, gdy są one przygotowane w identyczny sposób, funkcja falowa zawsze poprawnie przewiduje rozkład statystyczny wyników. Ale nie ma sposobu, aby wiedzieć, jaki będzie wynik pojedynczego pomiaru — mechanika kwantowa oferuje tylko prawdopodobieństwo. Od czego zależy konkretna obserwacja? W 1932 roku fizyk matematyczny John von Neumann zaproponował, że po dokonaniu pomiaru funkcja falowa „zapada się” na jeden z możliwych wyników. Proces jest zasadniczo losowy, ale obciążony prawdopodobieństwem, które koduje. Sama mechanika kwantowa nie wydaje się przewidywać zawalenia, co trzeba ręcznie dodać do obliczeń.
Jako sztuczka matematyczna ad hoc działa wystarczająco dobrze. Ale niektórym badaczom wydawało się to (i nadal wydaje się) być niezadowalającą sztuczką. Einstein słynnie porównał to do Boga grającego w kości, aby zdecydować, co stanie się „prawdziwe” – co faktycznie obserwujemy w naszym klasycznym świecie. Duński fizyk Niels Bohr, w swojej tak zwanej interpretacji kopenhaskiej, po prostu stwierdził, że problem wykracza poza granice, mówiąc, że fizycy po prostu muszą zaakceptować fundamentalne rozróżnienie między reżimami kwantowymi i klasycznymi. W przeciwieństwie do tego, w 1957 roku fizyk Hugh Everett stwierdził, że załamanie funkcji falowej jest tylko iluzją i że w rzeczywistości wszystkie wyniki są realizowane w prawie nieskończonej liczbie rozgałęzionych wszechświatów – co fizycy nazywają teraz „wiele światów".
Prawda jest taka, że „podstawowa przyczyna załamania się funkcji falowej jest jeszcze nieznana” — powiedział Inwook Kim, fizyk w Lawrence Livermore National Laboratory w Kalifornii. „Dlaczego i jak to się dzieje?”
W 1986 roku włoscy fizycy Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini i Tullio Weber zasugerował Odpowiedź. A jeśli, powiedzieli, równanie falowe Schrödingera nie jest całą historią? Założyli, że układ kwantowy jest stale pobudzany przez jakiś nieznany wpływ, który może skłonić go do spontanicznego przeskakiwania do jednego z możliwych obserwowalnych stanów układu, w skali czasowej, która zależy od tego, jak duży jest układ. Mały, izolowany układ, taki jak atom w superpozycji kwantowej (stan, w którym możliwe jest uzyskanie kilku wyników pomiarów), pozostanie taki przez bardzo długi czas. Jednak większe obiekty — powiedzmy kot lub atom, gdy wchodzą w interakcję z makroskopowym urządzeniem pomiarowym — niemal natychmiast zapadają się w dobrze zdefiniowany stan klasyczny. Ten tak zwany model GRW (po inicjałach tria) był pierwszym fizycznym modelem upadku; później udoskonalenie znany jako model ciągłej spontanicznej lokalizacji (CSL) obejmował stopniowe, ciągłe zapadanie się, a nie nagły skok. Te modele są nie tyle interpretacjami mechaniki kwantowej, ile dodatkami do niej, powiedział fizyk Magdalena Zych Uniwersytetu Queensland w Australii.
Co powoduje tę spontaniczną lokalizację poprzez załamanie funkcji falowej? Modele GRW i CSL nie mówią; po prostu sugerują dodanie terminu matematycznego do równania Schrödingera, aby to opisać. Jednak w latach 1980. i 90. fizycy matematyczni Roger Penrose z Uniwersytetu Oksfordzkiego i Lajos Diósi z Uniwersytetu Eötvös Loránd w Budapeszcie niezależnie zaproponowali możliwą przyczynę upadku: grawitację. Mówiąc ogólnie, ich pomysł polegał na tym, że jeśli obiekt kwantowy znajduje się w superpozycji lokalizacji, każdy stan pozycji będzie „odczuwał” inne poprzez ich oddziaływanie grawitacyjne. To tak, jakby to przyciąganie powodowało, że obiekt mierzył się sam, wymuszając upadek. Albo, jeśli spojrzysz na to z perspektywy ogólnej teorii względności, która opisuje grawitację, superpozycja miejsc deformuje tkankę czasoprzestrzeni na dwa różne sposoby naraz, okoliczność, której ogólna teoria względności nie może pomieścić. Jak ujął to Penrose, w konflikcie między mechaniką kwantową a ogólną teorią względności, kwant pęknie pierwszy.
Próba prawdy
Te pomysły zawsze były wysoce spekulacyjne. Jednak w przeciwieństwie do wyjaśnień mechaniki kwantowej, takich jak interpretacje Kopenhagi i Everetta, modele zawalenia fizycznego mają tę zaletę, że tworzą obserwowalne przewidywania, a tym samym są testowalne i falsyfikowalne.
Jeśli rzeczywiście istnieje zaburzenie tła, które wywołuje załamanie kwantowe — niezależnie od tego, czy pochodzi ono z efektów grawitacyjnych, czy z czegoś innego — wówczas wszystkie cząstki będą stale oddziaływać z tym zaburzeniem, niezależnie od tego, czy znajdują się w superpozycji, czy nie. Konsekwencje powinny być w zasadzie wykrywalne. Interakcja powinna wytworzyć „trwałe zygzakowanie cząstek w przestrzeni” porównywalne z ruchem Browna, powiedziała Catalina Curceanu, fizyk z INFN.
Obecne modele załamania fizycznego sugerują, że ten ruch dyfuzyjny jest bardzo niewielki. Niemniej jednak, jeśli cząsteczka jest naładowana elektrycznie, ruch wygeneruje promieniowanie elektromagnetyczne w procesie zwanym bremsstrahlung. Bryła materii powinna więc w sposób ciągły emitować bardzo słaby strumień fotonów, których typowe wersje modeli przewidują, że mieszczą się w zakresie promieniowania rentgenowskiego. Donadi i jego kolega Anioł Basi mieć pokazane że emisja takiego promieniowania jest oczekiwana z dowolnego modelu dynamicznego spontanicznego załamania, w tym modelu Diósiego-Penrose'a.
Jednak „choć pomysł jest prosty, w praktyce test nie jest taki łatwy” – powiedział Kim. Przewidywany sygnał jest niezwykle słaby, co oznacza, że aby uzyskać wykrywalny sygnał, eksperyment musi obejmować ogromną liczbę naładowanych cząstek. A szum tła – który pochodzi ze źródeł takich jak promieniowanie kosmiczne i promieniowanie w środowisku – musi być niski. Warunki te mogą spełnić jedynie najbardziej czułe eksperymenty, takie jak te zaprojektowane do wykrywania sygnałów ciemnej materii czy nieuchwytne cząstki zwane neutrinami.
W 1996 roku Qijia Fu z Hamilton College w Nowym Jorku — wtedy zaledwie student — zaproponowane przy użyciu eksperymentów z neutrinami na bazie germanu do wykrywania sygnatury CSL emisji promieniowania rentgenowskiego. (Tygodnie po tym, jak przesłał swoją pracę, był porażony piorunem na pieszej wycieczce w Utah i zabity.) Pomysł polegał na tym, że protony i elektrony w germanie powinny emitować spontaniczne promieniowanie, które wychwytywałyby ultraczułe detektory. Jednak dopiero od niedawna dostępne są instrumenty o wymaganej czułości.
W 2020 roku zespół we Włoszech, w tym Donadi, Bassi i Curceanu, wraz z Diósi na Węgrzech, użył tego rodzaju detektora germanu do przetestowania modelu Diósi-Penrose. Detektory, stworzone na potrzeby eksperymentu neutrinowego zwanego IGEX, są osłonięte przed promieniowaniem dzięki ich lokalizacji pod Gran Sasso, górą we włoskim paśmie Apeninów.
Wprowadzenie
Po ostrożnym odjęciu pozostałego sygnału tła — głównie promieniotwórczości naturalnej ze skały — fizycy nie widziałem emisji na poziomie czułości wykluczającym najprostszą formę modelu Diósi-Penrose. Oni też umieścił silne granice na parametry, w których różne modele CSL mogą nadal działać. Oryginalny model GRW znajduje się właśnie w tym ciasnym oknie: przetrwał przez wąsy.
W gazeta opublikowana w sierpniu, wynik z 2020 roku został potwierdzony i wzmocniony przez eksperyment o nazwie Majorana Demonstrator, który powstał głównie w celu poszukiwania hipotetycznych cząstek zwanych neutrinami Majorany (które mają ciekawą właściwość bycia własnymi antycząstkami). Eksperyment mieści się w Sanford Underground Research Facility, które leży prawie 5,000 stóp pod ziemią w dawnej kopalni złota w Południowej Dakocie. Ma większą liczbę detektorów germanowych o wysokiej czystości niż IGEX i mogą one wykrywać promieniowanie rentgenowskie do niskich energii. „Nasz limit jest znacznie bardziej rygorystyczny w porównaniu z poprzednią pracą” – powiedział Kim, członek zespołu.
Niechlujny koniec
Chociaż modele upadku fizycznego są bardzo chore, nie są całkiem martwe. „Różne modele przyjmują bardzo różne założenia dotyczące natury i właściwości zawalenia” – powiedział Kim. Testy eksperymentalne wykluczyły teraz najbardziej prawdopodobne możliwości dla tych wartości, ale wciąż jest mała wyspa nadziei.
Modele ciągłej spontanicznej lokalizacji proponują, że fizyczny byt zaburzający funkcję falową jest pewnego rodzaju „polem szumowym”, co w obecnych testach zakłada, że jest białym szumem: jednorodnym na wszystkich częstotliwościach. To najprostsze założenie. Ale jest możliwe, że szum może być „podkolorowany”, na przykład przez odcięcie wysokich częstotliwości. Curceanu powiedział, że testowanie tych bardziej skomplikowanych modeli będzie wymagało pomiaru widma emisyjnego przy wyższych energiach, niż było to możliwe do tej pory.
Wprowadzenie
Eksperyment Majorana Demonstrator dobiega obecnie końca, ale zespół nawiązuje nową współpracę w ramach eksperymentu o nazwie Gerda, z siedzibą w Gran Sasso, aby stworzyć kolejny eksperyment badający masę neutrin. Nazywa Legenda, będzie miał bardziej masywne, a tym samym bardziej czułe układy detektorów germanu. „Legend może być w stanie jeszcze bardziej przesunąć granice modeli CSL” – powiedział Kim. Istnieje również propozycje dla testowanie te modele w eksperymentach kosmicznych, które nie ucierpią z powodu hałasu wytwarzanego przez wibracje otoczenia.
Fałszowanie to ciężka praca i rzadko osiąga schludny punkt końcowy. Nawet teraz, według Curceanu, Roger Penrose — który otrzymał nagrodę 2020 Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki za swoją pracę nad ogólną teorią względności — pracuje nad wersją modelu Diósi-Penrose, w którym nie ma w ogóle promieniowania spontanicznego.
Mimo to niektórzy podejrzewają, że dla tego poglądu na mechanikę kwantową pismo jest na ścianie. „Musimy ponownie przemyśleć, co te modele próbują osiągnąć” – powiedział Zych – „i sprawdzić, czy motywujące problemy mogą nie mieć lepszej odpowiedzi poprzez inne podejście”. Chociaż niewielu twierdzi, że problem pomiaru nie jest już problemem, w ciągu lat od zaproponowania pierwszych modeli kolapsu nauczyliśmy się również wiele o tym, co pociąga za sobą pomiar kwantowy. „Myślę, że musimy wrócić do pytania, co te modele powstały dekady temu” – powiedziała – „i poważnie potraktować to, czego się w międzyczasie nauczyliśmy”.
